建筑物基础作为接地装置及接地电阻值探讨

引言

在建筑电气工程的接地设计中,利用建筑物基础作为接地装置,已成为建筑物接地设计的普遍做法。但在实际的项目实施过程中,常常会遇到某些不能利用建筑物基础作为接地装置的情况。另外,国家相关标准规范对接地电阻设计值大小的规定也不一致,给设计人员造成了一定的困惑。鉴于此,笔者根据对相关规范的理解,并结合项目实际,探讨了如何把握接地装置的设计以及接地电阻设计值的选取。

1利用建筑物基础作为接地装置

建筑物基础作为接地装置,由于其具有使用寿命长、电气性能好(接地阻抗小、容易实现等电位)、节省投资、施工方便省力等特点,成为新建建筑接地设计的首选方式。由于建筑物基础属于结构专业的范围,其亦有不同的做法,电气设计人员在做接地设计时,应充分了解并根据基础类型设计相应的接地装置,并与结构人员做好沟通。

1.1浅基础

浅基础分为独立基础和联合基础。

独立基础常见于结构柱底部的方形基础或承台,现行接地设计的普遍做法是电气专业给结构专业提条件,要求独立基础内的主钢筋通长焊接,再敷设40mm×4mm热镀锌扁钢将各独立基础的主筋焊接连通成环形电气通路。

对于联合基础,电气专业通常要求结构专业将基础底梁上的上下两层钢筋中的两根主筋通长焊接,并将主轴线上基础底梁中的上下两层主筋相互焊接连通,形成一个自然接地体。

设计时应注意的是,应在建筑物基础的适当位置让结构专业配合预埋接地钢板,并与基础内主钢筋可靠焊接。设置于地下的接地钢板作用是便于各基础间接地装置相连,或在接地电阻达不到要求时,将其与增打的接地极连接:室内地上的接地钢板作用是便于后期设备接地或做等电位连接:室外地上的接地板作用是便于测试接地电阻。

对于某些钢筋混凝土基础,结构人员可能不允许在地下设置接地预埋件,例如在某些具有酸碱腐蚀性的土壤环境中,导体很容易发生电化学腐蚀,即与土壤接触的接地线和基础钢筋有不同的电位,两者会形成一个电池,土壤和水泥形成的电解质成为电池的内电路,接地线与基础钢筋的连接成为电池的外电路,结果电位较负的将先被腐蚀,进而腐蚀到结构基础内的钢筋网,影响结构安全。此时,电气专业可取消预埋于地下的接地板,使用耐腐蚀材料与基础内的主筋焊接,直接引出与其他接地装置相连。

耐腐蚀材料通常包括铜材、镀铜扁钢、铜包钢、不锈钢等在土壤内的电位较接近基础内钢材的材料,而不能使用热镀锌扁钢,因为锌是这些材料中最容易发生电化学腐蚀反应的。在腐蚀性的土壤环境中,与土壤相接触的导体也可采用水泥砂浆包裹起来,水泥砂浆保护厚度应不小于50mm,以免土壤的化学腐蚀,达到接地装置与建筑物具有相同使用寿命的目的。

对于某些预应力钢筋混凝土基础,结构人员也可能不允许利用其作为接地装置,此时最好、最有效的办法不是打人工接地极,而是在建筑物基础的混凝土层内预置扁钢或圆钢,形成网眼不大于20m×20m的网格做水平接地体,这样既可以节省大量的土石方开挖工作量,又可以兼起接地和地面等电位的作用。

1.2桩基基础

桩基基础分为承台基础、阀板基础、箱式基础等,是结构专业先将钢筋混凝土柱子打入地中,桩基上部再浇筑钢筋混凝土承台和地梁,使其与桩基连成一体,承台上面是建筑的剪力墙和柱子。

桩基基础接地体的一般做法是,利用桩基内的主钢筋作为垂直接地体,桩基主钢筋在其顶部与承台和地梁主筋焊接,利用承台、地梁内主钢筋作为水平接地体,承台的主筋再与上面作为引下线的柱（或剪力墙）中钢筋焊接。

预制桩基的接地一般是待预制桩基就位后,在顶端凿掉一定长度的混凝土,将凿出外露的钢筋与承台和地梁中的钢筋焊接,焊接应采用搭接焊,搭接焊有效长度>100mm[2]。

笔者在实际项目中遇到过结构专业不同意凿掉预制桩顶部混凝土的情况,特别是预应力高强度混凝土管桩,结构专业认为,此类型的管桩为高强度混凝土桩,一方面凿桩难度较大,另一方面,由于结构对单桩的竖向承载力要求很高,对管桩顶部的破坏有可能极大地降低其承载力,留下安全隐患。这种情况下,电气专业可放弃利用桩基内的钢筋,在接地电阻达不到要求时,在承台边上预埋接地钢板将基础内的主钢筋引出,在附近增设人工接地装置。

2接地装置接地电阻设计值

建筑物基础作为接地装置,通常为防雷接地、工作接地、保护接地、电子设备接地、各专用设备接地的联合接地体,即各接地系统共用接地装置。对于共用接地装置接地电阻的大小,不同的规范要求并不一致。

2.1国家现行标准规范对接地装置接地电阻的规定《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010）[3]第

4.3.6条:共用接地装置的接地电阻应按50Hz电气装置的接地电阻确定,不应大于按人身安全所确定的接地电阻值。

《民用建筑电气设计标准》（GB51348—2019）[4]第12.5.11条:建筑物各电气系统的接地,除另有规定外,应采用同一接地装置,接地装置的接地电阻应符合其中最小值的要求。各系统不能确定接地电阻值时,接地电阻不应大于1Q。

《民用闭路监视电视系统工程技术规范》（GB50198—2011）[5]第3.5.4条:采用专用接地装置时,其接地电阻值不得大于4Q。采用综合接地网时,其接地电阻不得大于1Q。

《石油库设计规范》（GB50074—2014）[6]第14.2.13条:接闪杆（网、带）的接地电阻,不宜大于10Q。第14.3.16条:防静电接地装置的接地电阻,不宜大于100Q。

《汽车加油加气加氢站技术标准》（GB50156—2021）[7]第13.2.2条:汽车加油加气加氢站的防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地及信息系统的接地等宜共用接地装置,接地电阻不应大于4Q。第13.2.15条:防静电接地装置的接地电阻不应大于100Q。

《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T50065—2011）[8]第7.2.11条:建筑物处的低压系统电源中性点、电气装置外露导电部分的保护接地、保护等电位联结的接地极等,可与建筑物的雷电保护接地共用同一接地装置。共用接地装置的接地电阻,不应大于各要求值中的最小值。

《数据中心设计规范》（GB50174—2017）[9]第8.4.2条:保护性接地和功能性接地宜共用一组接地装置,其接地电阻应按其中最小值确定。

2.2对不同规范中接地电阻规定值的分析

上面列举的规范涉及民用建筑、闭路监视电视、电子计算机、移动通信、石油库加油站等行业,可以看出,所有国标中,对单一接地系统接地电阻的要求最严格的是不应大于4Q。而对于共用接地系统的接地电阻,有的规范要求不大于1Q:有的规范要求不大于4Q:有的规范仅提出了共用接地电阻应达到的要求,而没有要求具体数值。

GB51348—2019和GB50198—2011对共用接地装置的接地电阻要求相对较高,主要是考虑到民用建筑中有较多的电子设备、计算机及闭路监视电视等对过电压及信号干扰比较敏感的弱电系统,故要求其接地电阻小一些。而对于工厂中的大部分建筑物,并没有很重要的电子设备,加上很多地区由于土壤电阻率高,若要求过低的接地电阻值,往往会造成施工难度加大,工程费用提高,甚至某些地区即便采取了增打接地极、换土降阻等多项措施后,仍难以满足设计要求。

对共用接地装置接地电阻值究竟应要求多少,GB50057—2010作为我国最具权威的防雷接地设计规

范,对接地电阻做了详细的要求,并在条文说明中做了解释。条文说明第4.2.4条第5款:"关于共用接地装置……一般来说,接地电阻越低,防雷得到的改善越多。但是,不能由于要达到某一很低的接地电阻而花费过大……考虑到已采取严格的各种金属物与防雷装置之间的连接和均压措施,故不必要求很低的接地电阻。"第6款:"为了将雷电流散入大地而不会产生危险的过电压,接地装置的布置比接地装置的特定值更重要……"

关于电子系统接地,GB50057一2010第6.3.4条第5款:"电子系统的所有外露导电物应与建筑物的等电位连接网络做功能性等电位连接……"条文说明第4.2.4条第6款:"现代电子系统绝大多数为数字化,其怕干扰的频率为数十乃至数百兆赫兹……所以,功能性接地要求很低的直流至工频的接地电阻(如0.5～1Q)是毫无意义的。"

根据GB50057一2010的这些条文可以看出,为保证人身安全及电子设备的安全运行,做好等电位连接比做到更小的接地电阻更为简单有效。

另外,受传统观念和做法的影响,对于有的业主或电子设备供货商要求仪表控制系统或某些弱电系统设置独立的接地装置的做法,GB50057一2010第6.3.4条第5款也明确规定:电子系统不应设独立的接地装置。2.3工程设计中对接地电阻值的确定

接地电阻值的确定必须从实际出发、因地制宜,不能一概而论,应根据建筑物的使用性质以及不同地区的土壤环境区别对待。

对于工业建筑来说,工厂中的主控室、机柜间、1T机房这些电子设备较多、对干扰比较敏感的建筑,接地电阻应要求小一些:对于大部分工厂中的仓库、压缩机房、生产装置等采用共用接地装置时,其接地电阻不大于4Q即可,在部分土壤电阻率较高的地区,难以做到4Q时,可适当放宽一些,并采取其他等电位连接的措施。

而对于民用建筑,不像工厂一般都配备有专业电气维护人员和绝缘靴、橡胶手套等专业设备,用户大多为不熟悉电气安全的普通老百姓,在利用建筑物基础作为接地装置时,由于基础体积大、钢筋多,桩基也较深,而且位于地下的量大面广的水泥也是导电的,容易实现较小的电阻接地,设计时可直接要求其共用接地电阻不大于1Q。

3结语

工欲善其事,必先利其器。建筑电气的接地设计是一个系统工程,涉及与电信、结构、工艺等专业间的配合,电气专业在设计时应充分了解相关专业的需求及结构的地基构造,结合项目所在地的地勘情况,因地制宜,综合考虑,使设计方案既符合国家标准规范要求,又满足安全性、经济性、合理性要求,从而确保各设备的长期正常可靠运行及用电安全。